摘 要:基于對(duì)南方冬季普遍存在的行道樹積雪問題進(jìn)行深入的研究思考,考察了現(xiàn)實(shí)當(dāng)中積雪對(duì)于行道樹的壓垮情況。根據(jù)收集的信息和模型進(jìn)行了行道樹除雪設(shè)備的原理性設(shè)計(jì),并且制作出初步的設(shè)計(jì)模型,用于清理我國(guó)南方的行道樹積雪清理。
關(guān)鍵詞:行道樹;積雪清理;自動(dòng)化;使用說明
在現(xiàn)代都市中,行道樹作為道路兩邊的綠化已經(jīng)越來越普遍,在我國(guó)南方載種的行道樹基本上以香樟等常綠喬木為主。這類樹木具有樹冠大、樹莖高大等特點(diǎn)。在近幾年湖州冬季屢屢受到極寒天氣的影響,行道樹經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)被積雪壓塌的情況,造成了不小的損失,而此款設(shè)備就能解決這個(gè)問題,它能夠有效的進(jìn)行行道樹的積雪清理,防止過度積雪對(duì)行道樹產(chǎn)生傷害,從而避免了人們因上述原因而造成的一些損失。
同時(shí),它也避免了一些不必要的困難,可以將設(shè)備固定安裝在皮卡等移動(dòng)設(shè)備的后面,可以隨著車輛的移動(dòng)而且移動(dòng),有效避免了移動(dòng)產(chǎn)生的困難,可以非常方便的處理積雪,同時(shí)它也可以適應(yīng)不同高度不同需求的樹木,減少了人工操作產(chǎn)生的困難和不便。
1 功能簡(jiǎn)介
除雪設(shè)備通過固定在移動(dòng)車輛上,通過傳感器來確定樹木樹冠的高度,通過內(nèi)部電路系統(tǒng)來調(diào)節(jié)輸出電路上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。通過三組電機(jī)和電位器的協(xié)作來帶動(dòng)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu),將掃雪的圓盤送到樹冠高度,再驅(qū)動(dòng)掃雪圓盤將樹冠上的積雪掃落下來。實(shí)現(xiàn)行道樹積雪處理的自動(dòng)化處理,有效解決了人工處理積雪危險(xiǎn)性大,效率低下的問題。即解決了行道樹積雪這一現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題。
2 “智能窗”的主要結(jié)構(gòu)
3 “智能窗”的物理原理
3.1 行道樹樹冠高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)
利用了三自由度的機(jī)械臂系統(tǒng)來調(diào)節(jié)清掃轉(zhuǎn)盤的高度。即利用用大扭力減速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲桿結(jié)構(gòu),同時(shí)帶動(dòng)結(jié)構(gòu)上的電位器同步旋轉(zhuǎn),以確定旋轉(zhuǎn)的角度,以反饋控制機(jī)械臂的高度。電路部分利用電位器的反饋和對(duì)于樹冠高度判斷進(jìn)行運(yùn)動(dòng),當(dāng)電機(jī)打開時(shí)減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng),自動(dòng)將清掃的盤子上升到樹冠高度,感應(yīng)器感應(yīng)到樹冠時(shí)反饋給控制電路,控制電路防止電路再次返回。
3.2 震動(dòng)除雪掃雪結(jié)構(gòu)
利用擺輪組、圓柱直線導(dǎo)軌、減速電機(jī)等組合成一個(gè)圓盤掃雪除雪裝置,利用轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤和圓盤上的掃雪刷子可以將樹冠上的積雪清理下來,而內(nèi)置的擺輪則可以很好的給與刷子一個(gè)周期性的震動(dòng),可以有效防止刷子和樹枝糾纏以及雪的積累。同時(shí),電路部分利用電位器來感應(yīng)減速電機(jī)的狀態(tài),當(dāng)感應(yīng)到有樹枝糾纏時(shí)便會(huì)停止電動(dòng)機(jī),利用加大震動(dòng)其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),完成解開樹枝糾纏的作用。
4 “智能除雪設(shè)備”模型的制作方法
(1)利用三維軟件設(shè)計(jì)繪圖,確定尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
(2)①自動(dòng)控制系統(tǒng):在依據(jù)實(shí)際的需求,設(shè)計(jì)出基本的電路控制。依靠于數(shù)字電路設(shè)計(jì)基本電路,利用arduino作為控制器,逐步搭建控制器系統(tǒng)、上位機(jī)程序、驅(qū)動(dòng)部分模塊以及傳感器反饋。最后連接12v電源以及降壓模塊,調(diào)試程序功能。
②機(jī)械部分制作:按照強(qiáng)度結(jié)構(gòu)將 零件分為三組:第一組強(qiáng)度結(jié)構(gòu)比較小用3d打印去制作,另外一部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較大用鋁合金加工制作。第三部分易損耗用高碳高進(jìn)行cnc加工防止磨損。組裝調(diào)試。
(3)連接電路。
5 使用說明
(1)安裝好后,設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài);
(2)使用時(shí),按下使用開關(guān),控制電路件開始發(fā)出指令,電機(jī)啟動(dòng);
(3)傳感器測(cè)量樹冠高度,電位器返回?cái)?shù)據(jù),電機(jī)根據(jù)實(shí)際情況來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);
(4)有高度偏差時(shí),允許人工參與校準(zhǔn),調(diào)節(jié)電機(jī)高度,高度合適時(shí),電子控制元件開始發(fā)出指令,電刷開始運(yùn)動(dòng),開始自動(dòng)除雪;
(5)無需除雪時(shí),機(jī)械臂均可折疊收納。
6 相關(guān)拓展
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,道路交通也越來越成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ),行道樹無論作為綠化裝飾還是平時(shí)隔離消聲的作用都日漸增強(qiáng)。保持道路空氣新鮮,擁有健康的道路駕駛環(huán)境也越來越成為現(xiàn)代人的共識(shí)。然而在現(xiàn)在的生活中,極端天氣的幾率不斷增加,行道樹被積雪壓垮的新聞屢見不鮮。為道路交通部門的運(yùn)作增加了負(fù)擔(dān)和道路安全增加了不確定因數(shù)。
本文介紹的除雪設(shè)備可以利用一般的卡車承載,利用汽車自身電能為此款除雪設(shè)備提供能源,有效提高了道路維護(hù)的效率。減少了安全隱患和維護(hù)成本。
此款智能窗主要是針對(duì)城市道路交通開發(fā)的一種功能專一的產(chǎn)品,其具有非常強(qiáng)大的需求。在現(xiàn)在的城市中對(duì)于此問題的處理仍出于空白階段,依靠人工除雪效率低、成本高。供需處理不平衡,仍需要進(jìn)行大量的處理才能完成。而此設(shè)備可有效的完成處理積雪,為道路安全提供了保障。
參考文獻(xiàn):
[1]黃華梁,彭文生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).高等教育出版社,2001.
[2]楊芳春.電機(jī)傳動(dòng).高等教育出版社,1995.
作者簡(jiǎn)介:傅子耀(2005-),男,浙江湖州人,浙江省杭州市杭州二中白馬湖學(xué)校初一學(xué)生。
指導(dǎo)老師:呼格吉樂(1980-),男,蒙古族,內(nèi)蒙古通遼人,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,工程碩士學(xué)位,湖州師范學(xué)院省級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與物理教學(xué)儀器開發(fā);王一超(1996-),男,漢族,浙江紹興人,湖州師范學(xué)院物理系大三學(xué)生。